一种新型无人机小型化飞行器管理计算机的设计实现
摘 要
无人机的诸多优势，使得其无论是在军事领域还是在民用领域在未来都有着广泛应用前景。与生俱来的技术特点，也要求无人机机载设备要适应无人机环境应用要求。飞行器管理计算机是新型无人机的飞行安全和执行任务的核心设备。飞行器管理计算机为了更好的适应无人机环境要求，达到小型化的目的，本文从系统架构、结构设计、软硬件配置等方面，介绍说明如何解决小型化的关键技术和方法。
【关键词】无人机 小型化 飞行器管理计算机 环境适应性
无人机相较于有人驾驶飞机，具有结构简单，机动性高，续航时间长，隐蔽性好，安全性强，成本较低，使用简单，环境适应性强等很多优点。早期的从单纯执行军事侦查、监视、搜索等非攻击性任务，发展到对地攻击及轰炸阶段，目前正逐步由执行简单任务向执行复杂任务的方向发展。从最近几次著名的军事冲突中，特别是阿富汗战争，小型无人机小型无人机（UAV）取得的成功，加速了无人机系统进入军队的步伐。而且，由于无人机在执行任务时，可以进入危险环境，因而在民用领域也有着广泛的应用，主要应用于突发事件应急调查处理、抢险救灾，如山体滑坡勘查、火山环境监测等。随着科技的进步，无人机在军事和民用领域需求的牵引，我国也加强了各型无人机的研发力度，以适应新形势的发展要求。
飞行器管理计算机是此型无人机安全飞行和执行任务的核心设备，主要负责飞机平台稳定控制、任务系统管理、动力系统管理、传感器系统管理及舵面的驱动控制，实现飞机的起飞、巡航及返航降落等阶段的自动或手动控制。
1 应用分析
飞行控制系统的安全性直接影响飞机平台的生存性，因此其安全性、可靠性级别最高，所以有人驾驶飞机一般采用四余度容错结构的计算机，这种结构的缺点是设备多，重量重，体积大，不能最大程度发挥飞机平台的性能，无法优化飞行品质。而对于无人机，比如美国的全球鹰，它的飞行器管理系统采用了双冗余结构，包括冗余传感器，双冗余计算机和分裂式操控面。此型无人机从费效比考量，根据其应用环境，采用单余度飞行器管理计算机。
飞行器管理计算机为了实现安全飞行和执行一系列的任务，包括飞行控制，发动机控制，推力控制等。飞行器管理计算机对外交联复杂，接口众多，包括模拟量接口、离散量接口、总线接口，所有接口为了达到小型化的要求，应采用大型FPGA实现。
飞行器管理计算机的处理器的工作频率不低于266MHz，能够为飞行参数提供存储功能。总线接口可以独立处理信息，提供大深度缓存中断功能。
2 系统架构比较
飞行器管理计算机，除了电源模块，输入输出接口和处理器部分的模块可以有三种系统架构：
第一种方式采用接口基板、处理器子卡组成一个模块。接口基板采用全尺寸，主要实现接口功能。处理器子卡采用标准的PMC背板，实现数据处理功能。电源板和接口基板采用板间连接器互联。
第二种方式采输入输出接口和处理器均做成独立的全尺寸模块，接口电路和处理器电路分别在独立的模块上。采用母板互联各个模块。
第三种方式采用将处理器和输入输出电路放在一个全尺寸模块上，在一个模块上实现处理器和输入输出接口功能。电源板和处理器/接口功能板采用板间连接器互联。
第一种方式的优点是采用了组合化设计，但此种方案结构相对复杂，同时也增加了整机的重量。第二种方式优点采用了模块化设计，有相对对立的功能模块，但必须有机箱母板互联各个模块。这样既增加工作量又增加了整机的重量。第三种方式优点是结构简单，减小了机箱尺寸，减轻了整机重量，而且各个功能电路相对独立。
飞行器管理计算机用是用于无人机上，对重量尺寸特别敏感，小低轻——功耗小、功耗低、重量轻是无人机产品的努力方向。故飞行器管理计算机采用第三种系统架构。
3 设计实现
3.1 设计性能指标
飞行器管理计算机设计将达到的主要性能指标如下：
（1）CPU采用PowerPC82XX系列处理器，并提供1路RS232串口，2路以太网；
（2）存储器配置：飞参数据存取8GB；
（3）数字可调电位计：1路数字可调电位计；
（4）RS232串口：6路，波特率可调；
（5）RS422串口：6路，波特率可调；
（6）RS485串口：1路，波特率可调；
（7）离散量接口：10路，其中输入5路，输出5路；
（8）模拟量接口：输入16路；
（9）PWM信号：8路信号采样输入，16路输出；
（10）总线接口可以独立处理信息，提供大深度缓存中断，触发深度可设；
（11）软件配置：国产天脉1操作系统、模块驱动程序、系统自测试（BIT）软件；
（12）系统供电采用9V-32V直流电源，整机功耗不大于30W；
（13）整机重量≤2kg；
（14）散热方式采用自然散热。
3.2 系统架构与配置
飞行器管理计算机组成架构如图1所示。
按系统功能需求及模块化结构设计方法，将飞行器管理计算机划分为由1个机箱、1块CPU模块和一块电源模块（PS），其中CPU模块包括处理器部分电路和I/O部分电路。
整机组成部件包括：机箱、CPU模块、PS模块。
3.3 硬件模块设计
3.3.1 CPU模块设计
CPU模块处理器采用PowerPC82XX系列处理器，主频为266MHz，接口采用大规模FPGA实现。模块设计有1个看门狗定时器、4个32位定时器，复位电路，时钟电路，电源转换电路，JTAG接口以及调试接口。其原理框图如图2所示。
3.3.2 电源模块设计
电源模块将飞机上的28V直流电源转换成飞行器管理计算机所需的二次电源，其供电质量符合GJB181A-2003标准的要求，输入电压额定值是直流28V，变化范围是9V～32V；电源输出应具有过压、过流及输出开路、短路等保护。而且在上述现象消失后电源应能回复正常工作不受损坏。电源模块的设计采用较为成熟的电路，主要由+5V DC/DC转换电路、尖峰浪涌保护电路、输出滤波电路、输出保护电路、升压电路等几部分组成。
3.4 结构设计
为了满足系统需求的结构尺寸要求，尽可能的减小尺寸，减轻重量，机箱的外形尺寸设计为：L×W×H200mm×150mm×35mm，采用4点安装方式。
飞行器管理计算机内部有CPU模块和PS模块，分别紧固在前后面板上，两模块通过板间连接器互联，达到PS模块给CPU模块供电的目的。
3.5 软件配置
飞行器管理计算机软件由系统软件、地面支持软件和应用软件组成，其中应用软件由用户开发完成
系统软件包括启动引导控制软件、BIT软件、模块接口驱动软件、模块支持层软件和操作系统，各软件协同完成对飞行器管理计算机硬件的控制管理，为用户的OFP软件的运行提供支持。飞行器管理计算机中的CPU模块使用的是天脉1操作系统。操作系统应具有快速实时响应、异常处理、看门狗处理、多任务调度、CACHE管理、动态存储器管理、信号量管理、消息队列管理、系统时钟及辅助时钟管理，周期任务管理等功能，并为用户提供API接口。
地面支持软件包括调试开发环境和在板固化软件，运行于宿主机，为飞行器管理计算机的软件开发、调试和固化提供支持。
4 结束语
本文以无人机系统对飞行器管理计算机小低轻的设计要求出发，从方案论证着手，通过结构设计、软硬件配置解决关键技术。飞行器管理计算机的重量不超过2kg，对于系统要求2kg以内设计出满足需求的计算机，首先考虑将丰富的接口资源整合，采用大规模FPGA，然后将互联背叛省去，给机箱节省空间，达到减轻重量的目的。飞行器管理计算机的供电电压范围：9VDC -32VDC。为了满足宽电压供电的设计要求，电源中专门设计了升压电路。升压电路的作用是当输入端电压低至15V以下，超出了DC/DC模块的输入范围，将过低的电压抬升至预先设置的较高的电压，以满足系统的宽范围供电的要求。
此项目设计经过测试验证，用户实际使用，已成功应用到某新型燃料电池无人机，功能和性能满足设计要求，达到了很好的效果。
参考文献
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作者单位
中航工业西安航空计算技术研究所 陕西省西安市 710065
